調節閥技術解密 - 【02 閥內件】

 閥內件（Valve Trim）

閥內件是與流體直接接觸的閥內可拆卸的改變流通截面積和截流件導向等作用的零部件總稱，包括典型截流件的閥芯(Plug)和閥座(Seat)，還包括套筒(Cage)、閥桿(Stem)以及減噪器(Flow divider)、抗空化氣蝕部件(AC-trim)、導向(Guide)、密封件、固定件，等等。閥內件主要功能是使流通截面積按一定規則比例變化，實現流通能力和閥芯/閥桿行程之間的相互關系，其次是保證緊密關閉，符合標準規定的泄漏率。

 閥芯（Plug） 

閥芯是閥內件中最為關鍵的部件，同時是控制閥的可動部件，閥芯與閥座配合使用，可緊密關閉切斷流體，可通過改變節流截面積來調節流體通過量，進而達到過程控制的目的。

閥芯的形狀（或籠式閥的套筒開口形狀）決定著控制閥的流量特性，如常見的線性、等百分比、快開特性和拋物線特性等。閥芯閥座的尺寸以及閥內流路決定著控制閥的最大流通能力。

閥芯閥座的選材及其工藝處理決定著控制閥的工況應用和可靠性。閥芯閥座以及閥內件的設計直接反映了控制閥廠家的技術能力。

套筒型閥芯開口形狀和流量特性

為了獲得不同的閥門特性，閥芯結構設計有多種多樣，一般分直行程和角行程兩大類。單座型控制閥(Globe valve)一般都是頂部導向的直行程控制閥，采用最多的是柱塞型閥芯、套筒型閥芯，以及用于小流量的針形或圓柱銑槽閥芯，還有抗空化氣蝕的多級閥芯和特殊設計閥芯。角行程閥芯是通過旋轉運動來改變它與閥座間的流通面積。

早期的控制閥主要是單座閥，柱塞型閥芯。為了克服單座控制閥柱塞型閥芯不平衡力大、較低的流通能力和高噪聲等問題，上世紀六十年代國外一些廠家開始研發不平衡力小、有較大流通能力、低噪聲和便于拆裝閥內件的套筒型控制閥。

與柱塞型閥芯相比，套筒型閥芯的緊密關閉切斷功能和泄漏等級要差一些。在工業應用中，套筒易磨損，更會關閉不嚴和使泄漏量增大，造成功能安全不足。此外，套筒閥內件結構和流路也比柱塞型閥復雜，部件數量多，檢維修內容多。密封件多也是套筒閥的一大特點，如Fisher 的ED 系列套筒閥的平衡閥芯就有5 個專用墊片，而抗擠壓密封件或彈簧加載密封環都屬易損件和檢修更換件，更換頻次高及專用墊片備件價格很高也使得維護成本增加。套筒閥的快捷拆卸設計則是應對套筒閥內件耐用性和經常檢修的問題。

鉆孔式籠罩式閥芯專為高壓降的應用場合而設計，并消除氣蝕、噪音、腐蝕和震動這些常見問題。通過鉆孔的分布來實現流量特性。最小可控Cv由閥塞與閥籠之間的間隙以及密封面到閥籠最底側孔的距離決定。

鉆孔式籠罩式閥芯

 閥芯流量特性 

• 線性流量特性是指調節閥的相對流量與相對位移（行程）成線性關系。即單位位移變化所引起的流量變化是常數。具有此特性的閥門在開度小時流量相對變化大，靈敏度高，不易控制，甚至發生振蕩；而在開度大時，流量相對變化值小，調節緩慢，不夠及時。    

• 等百分比流量特性是指控制閥單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系，即曲線斜率是隨行程的增大而遞增的，也稱為對數流量特性。在小開度時，流量變化小，調節平穩；在大開度時，流量變化大，調節靈敏有效。

• 拋物線流量特性是指單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方根為比例關系。拋物線流量特性主要是為了彌補線性流量特性在小開度時調節效果差的不足。多數廠家沒有把拋物線流量特性的閥芯作為標準產品。

• 快開流量特性在開度較小時就有較大的流量，隨開度的增大，流量很快達到最大；此后再增加開度，流量變化很小�？扉_流量特性多用于開關型控制閥，在小開度時就可獲得較大的流量。

 非平衡式閥芯和平衡式閥芯 

針對單座閥閥芯所受不平衡力大的問題，也有采用平衡型閥芯的解決方案，可使得現有推力有限的執行器可用。平衡型閥芯是在閥芯開有平衡孔，將流體壓力引到閥芯另一側平衡腔室并與閥出口流路密封隔離，這樣閥芯兩側壓力差的絕大部分被平衡掉，不平衡力只有相當于流體壓力在閥桿截面積上的作用力了。由于平衡孔徑相對小一些，若被堵上則平衡作用全失，平衡閥芯不適宜用于較臟、含較大固體顆粒物或易結晶易固化介質。常見的平衡閥芯都是將平衡腔室的筒體設計為固定的，密封環嵌裝在平衡閥芯上，平衡閥芯類似活塞作上下提升運動。如下圖所示，左側為非平衡式閥芯，右側為平衡式閥芯。

 抗空化氣蝕閥芯 

在調節閥中產生的沖刷、汽蝕空化現象，其根本原因即是由于閥前后的壓差過高，流速過快。一般認為當Δp>2.5MPa時，流體介質在閥內部進入節流部位時壓力驟然下降，在通流截面面積最小處壓力降至最低，當這一壓力低于當前溫度下流體的飽和蒸汽壓時，部分液體會出現汽化，形成大量微小的汽泡，當流體流過節流口壓力回升時，這些汽泡又發生破裂回到液態，對閥體和閥芯等部件產生沖擊并帶來噪聲、振動、閥內件或閥體材質的破壞等危害。

控制閥廠家都致力于抗空化氣蝕的解決方案，除了在選型計算上應用阻塞流方程和避開產生閃蒸和空化的條件，還從閥內件結構、材料選用等方面入手特殊設計出各種不同的抗空化氣蝕閥芯。特殊設計的抗空化氣蝕閥芯使流體在通過閥芯閥座時每一點的壓力都高于該溫度下的飽和蒸汽壓，或采用多級降壓級間壓力恢復的多級閥芯，或采用特殊結構改變流動狀態并提前破壞氣泡而減小閃蒸效果使空化難以產生，同時降低噪聲。

國內外一些調節閥廠商都研發了各種不同類型的專門應用于苛刻工況下的抗汽蝕多級降壓調節閥。常見的多級降壓調節閥分為三類，雖然在結構上有所不同，但有著共同的工作原理，都是通過改變結構將總的壓差進行分段多級降壓，使每一級壓降Δp1小于產生空化的臨界壓差，從而有效避免了汽蝕等危害的發生。

 1、串級式調節閥 

串級式多級降壓結構如圖所示，這種結構把原本的一個整體的節流區域以多個分開的節流區域互相串聯，從而使較大的壓差轉換為多個較小的壓差，使每一次的降壓范圍都控制在飽和蒸汽壓以上，使空化現象不再出現。

串級式調節閥多用于液體介質工作的場合，其特點在于：

• 啟閉過程中能夠減輕持續壓差，每一級節流口的動作均滯后于上一級節流口，可以使在啟閉過程時作用于閥口的持續高壓逐級減輕，分擔了第一級節流口的壓力。

• 流阻較小，可以勝任流體清潔度不高，甚至固液兩相流的場合。

• 串級式閥芯一般進行碳化鎢噴涂硬化處理，抗沖刷汽蝕性能良好。

• 制造過程與其他多級降壓調節閥相比工藝較為簡單，加工方便，制造成本也較為低廉。

• 串級式調節閥一般降壓級數有限，多為3～4級，不能應用于壓差過高的場合。

 2、多層套筒式調節閥 

如圖所示，多層套筒式調節閥典型結構特征是閥芯部分節流件由數層加工有小孔的套筒構成，每層套筒之間都留有一定的間隙，使流體流經套筒時得以緩沖，從而將流體速度控制在一定范圍內。

其特點在于：

• 多級套筒式調節閥降壓級數可以設計得較大，降壓能力與串級式相比較強，能夠勝任高壓差的場合。

• 多層套筒式結構既能滿足較高的壓降要求，同時又能在工作時保證較大的流量。
  

• 抗汽蝕性能良好，用于液體介質時，流體由最外側套筒流向最內側，液體介質在套筒中逐級降壓以減輕空化汽蝕現象的發生，并且流體最終從內側套筒上的小孔中噴射至中心閥腔區域，使汽泡在套筒中心部位破裂，不直接對閥門金屬表面產生傷害。
  

• 抗噪聲、振動性能良好，用于氣體介質時由套筒內側向外流動，靠外側套筒的孔徑和間隙與內側相比均有所擴大，使氣體介質在逐級降壓過程中不斷膨脹，可以有效地降低噪聲及振動帶來的危害。
  

• 套筒加工過程比較復雜，成本較高。但安裝與維護簡便，易于更換。

   3、迷宮式調節閥 

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  迷宮盤片式多級降壓結構如圖所示，其核心節流部分由多個開有迷宮式溝槽的金屬盤片疊加而成。流體流經迷宮流道中經過多次碰撞轉折，消耗能量，在逐級降壓過程的同時，使流速也得到了控制。

其特點如下：

• 迷宮流道的拐彎級數就是迷宮式調節閥的降壓級數，一般可達十幾到二十幾級，所以迷宮式多級降壓結構是常見多級降壓調節閥中降壓能力最強的，國外有產品最高可以達40MPa。

• 出色的抗汽蝕沖刷及消聲減振性能，多級拐彎迷宮式流道可以有效地控制流體流速，避免空化、噪聲及振動等不良現象的發生。
  

• 通過使用不同形式的迷宮盤片進行組合，迷宮式調節閥可以達到不同的流量特性調節曲線。
  

• 迷宮式盤片制造精度要求很高，一般由司太立合金堆焊，有較長的使用壽命;

• 安裝與維護比較簡便，盤片易更換。
  

 閥座(Seat) 

閥座也稱作閥座環(seat ring)，裝配在閥體上，用于提供閥關閉狀態時完全嚙合的密封面。閥座密封面一般都作堆焊或涂復鈷鉻鎢等硬質合金加硬處理。

閥座有螺紋式和壓緊式之分。螺紋式結構簡捷，用螺紋擰入閥體，但需要使用專用工具和按廠家規定的扭力矩�？紤]到螺紋有隙連接的密封問題，傳統方式是加座環密封平墊片，有的廠家不采用墊片密封而是座環上部外斜面與閥體實現金屬－金屬密封。

壓緊式結構又稱作快換式閥內件(quick-change trim)，閥座便于拆卸，附加有壓緊套筒等部件，利用上閥蓋施加壓緊力。傳統設計是使用座環墊片密封，為了彌補墊片密封不足，有的廠家采用墊片和座環下部外斜面與閥體金屬密封的方法。

 閥芯閥座密封和泄漏率 

密封和泄漏是控制閥的重要指標，緊密關閉和低泄漏率是控制閥功能安全的要求。

密封與閥芯閥座的對準和接觸及載荷有關，還與閥內件結構設計和金屬精加工有關。閥芯閥座密封面一般都作堆焊或涂復鎢鉻鈷（司太萊合金）等硬質合金加硬處理，抗重載接觸和防沖刷磨損，提高泄漏等級。

泄漏是根據密封設計、參數和試驗得出的泄漏量，標準化組織都規定有泄漏等級和嚴格的試驗程序。各國基本上是執行IEC 標準，國標《工業過程控制閥 第4 部分：檢驗和例行檢查》GB/T 17213.4-2005就等同于IEC 60534-4：1999；德國DIN EN 1349 即等同歐洲標準也基本同于IEC 60534-4。

閥芯密封一般有：金屬密封、經研磨的金屬密封、彈性（軟）密封。

金屬密封將閥芯斜面和閥座接合面設計為不同角度，通常是閥芯密封的斜面角度為30°、閥座密封接合面角度為45°，金屬－金屬密封的泄漏等級可達Ⅳ級(≤10-4Kv)；經研磨的金屬密封的泄漏等級可達Ⅴ級(≤1.8×10-7×△p×D)。

軟密封一般選用有彈性的聚四氟乙烯PTFE 作密封材料，嵌入在閥芯或閥座上，其泄漏等級可達Ⅵ級(≤3×10-3×△p×泄漏率系數)。

對于平衡型閥芯，其泄漏等級依選用密封環材料而有所不同，加石墨密封環的可達Ⅲ級(≤10-3Kv)，加PTFE 密封環的可達Ⅳ級(≤10-4Kv)。

 閥門密封面的工作條件 

由于閥門用途十分廣泛，因此閥門密封面的工作條件差異很大。壓力可以從真空到超高壓，溫度可以從-269到816℃，有些工作溫度可達1200℃。工作介質從非腐蝕介質到各種酸堿、等強腐蝕性介質。從密封面的受力情況來看它受擠壓、剪切。從磨擦學的角度來看有磨粒磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、沖蝕等等。因此，應該根據不同的工作條件選擇相適應的密封面材料。

1. 磨粒磨損：這是粗糙的硬表面在軟表面上滑動時出現的磨損。硬材料壓入較軟的材料表面，在接觸表面就會劃出一條微小的溝槽，此溝槽所脫落的材料以碎屑或疏松粒子的形式被推離物體的表面。

2. 腐蝕磨損：金屬表面腐蝕時產生一層氧化物，這層氧化物通常覆蓋在受到腐蝕作用的部位上，這樣就能減慢對金屬的進一步腐蝕。但是，如果發生滑動的話，就會清除掉表面的氧化物，使裸露出來的金屬表面受到進一步的腐蝕。

3. 表面疲勞磨損：反復循環加載和卸載會使表面或表面下層產生疲勞裂紋，在表面形成碎片和凹坑，最終導致表面的破壞。

4. 沖蝕：材料損環是由銳利的粒子沖撞物體而產生的。它與磨粒磨損相似，但表面很粗糙。

5. 擦傷：擦傷是指密封面相對運動的過程中，材料因摩擦引起的破壞。

 對密封面材料的要求 

理想的密封面要耐腐蝕、抗擦傷、耐沖蝕、有足夠的擠壓強度、在高溫下有足夠的抗氧化性和抗熱疲勞性，密封面材料與本體有相近似的線膨脹系數，有良好的焊接性能，加工性能。

上述的這些要求是理想狀態，不可能有這樣十全十美的材料，因此，選材是要視具體情況解決主要矛盾。

常用密封面材料分為兩大類，軟質材料和硬質材料。

軟質材料為各種橡膠、尼龍、氟塑料等。

硬質材料的密封面主要是各種金屬如銅合金、不銹鋼、硬質合金等。

（1）銅合金

JB/T 5300《通用閥門材料》中規定的灰鑄鐵閥、可鍛鑄鐵閥，球墨鑄鋼閥的銅合金密封面材料牌號有：鑄鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3，鑄錳黃銅ZCuZn38Mn2Pb2，鑄鋁青銅ZCuAl9Mn2、ZuAl9Fe4Ni4Mn2。當然還有其它牌號如H62、巴氏合金（ZChPbSb16-16-2鉛銻軸承合金）等。銅合金在水或蒸汽中的耐腐蝕性和耐磨性都較好，但強度低，不耐氨和氨水腐蝕，適用介質溫度≤250℃。但巴氏合金耐氨及氨水腐蝕、熔點低，強度低適用于溫度≤70℃PN1.6MPa氨閥。

（2）鉻不銹鋼

鉻不銹鋼有較好的耐腐蝕性，常用于水、蒸汽、油品等非腐蝕性介質，溫度≤425℃的碳素鋼閥門。但耐擦性能較差，特別是在大比壓的情況下使用很易擦傷。試驗表明比壓在20MPa下耐擦傷較好。對于高壓小口徑閥門常采用棒材或鍛件其牌號為1Cr13、2Cr13、3Cr13制作的整體閥瓣，密封面經表面淬火（或整體淬火）其硬度值對2Cr13 HRC41～47、3Cr13 46～52為宜。國外標準中如API 600 BS 1873中對Cr13型密封面的硬度要求為最小HB 250硬度差HB 50材料牌號為ASTM A182 F6a。

對于大口徑閥門其密封面往往采用堆焊下面介紹幾種堆焊焊條。

① 堆507符合GB EDCr-A1-15  堆焊金屬為1鉻13半鐵素體高鉻鋼。焊層有空淬特性，一般不需熱處理，硬度均勻，亦可在750～800℃退火軟化。當加熱至900～1000℃空冷或油淬后可重新硬化。焊前須將工件予熱至300℃以上（也有資料介紹不需予熱（閥門堆焊技術））焊后空冷HRC≥40，焊后如進行不同熱處理可獲得相應硬度。

② 堆507鉬  符合GB EDCrA2-15堆焊金屬為1鉻13半鐵素體高鉻鋼，有空淬特性，焊前不予熱，焊后不處理，焊后空冷HRC≥37。

③ 堆577鉻錳型閥門堆焊焊條符合GB EDCrMn-C-15焊前不予熱焊后不處理抗裂性好HRC≥28與堆507鉬配合使用。

說明：

（Ⅰ）D507Mo和D577兩種焊條是為代替Cr13型焊條堆焊有硬度差的閥門密封面而配套研制的。D507Mo堆焊金屬硬度較高，用于閘板；D577堆焊金屬硬度較低，用于堆焊閥體或閥座密封面。兩者組成的密封面可獲得良好的抗擦傷性能。

（Ⅱ）堆焊層的高度加工后應在5mm以上以保證硬度和成份穩定。

（Ⅲ）堆焊要按焊接工藝規定操作，焊接電流不可過大以防止焊條成份發生變化影響焊接質量。

（3）硬質合金

硬質合金中最常用的是鈷基硬質合金也稱鈷鉻錫硬質合金。它的特點是耐腐蝕、耐磨、抗擦傷，特別是紅硬性好，即在高溫下也能保持足夠的硬度，此外加工工藝性適中，其許用比壓80～100MPa國外資料介紹155MPa。適用溫度范圍-196℃～650℃特殊場合可達816℃。但是，它在硫酸、高溫鹽酸中不耐腐蝕。在一些氯化物中也不耐蝕。

常用牌號：

STELL1TE N0.6  符合AWS ECoCr-A GB EDCoCr-A-03也相當D802（堆802）焊前根據工件大小進行250～400℃予熱焊時控制層間溫度250℃，焊后600～750℃保溫1～2小時后隨爐緩冷或將工件置于干燥和預熱的沙缸或草灰中緩冷。

其它牌號還有STELL1TE N0.12  符合AWS ECoCr-B GB EDCr-B-03也相當堆812，焊后HRC≥41。

以上兩種是鈷基硬質合金電焊條，鈷基硬質合金還有焊絲可以進行氧—乙炔堆焊或鴿極氬弧焊。  

牌號：

STELL1TE N0.6焊絲符合AWS：RCoCr-A也相當HS 112 常溫硬度HRC 40～46；

STELL1TE N0.12符合AWS：RCoCr-B也相當HS 112 常溫硬度HRC 44～50。

硬質合金（鈷基）焊接都要對工件予熱，焊時控制層間溫度焊后處理，要根據焊接工藝或焊條說明書施焊。

常用內件材料組合：